摘要：研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的高效基因組編輯工具，稱(chēng)為多路正交堿基編輯器(MOBEs)
人類(lèi)基因組由大約30億個(gè)堿基對(duì)組成，人類(lèi)的基因組成有99.6%是相同的。這微不足道的0.4%解釋了人與人之間的差異。這些堿基對(duì)的特定突變組合為復(fù)雜健康問(wèn)題的病因提供了重要線(xiàn)索，包括心臟病和精神分裂癥等神經(jīng)退行性疾病。
目前在活細(xì)胞中建模或校正突變的方法效率很低，特別是在多路復(fù)用時(shí)——在基因組中同時(shí)安裝多個(gè)點(diǎn)突變。加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的高效基因組編輯工具，稱(chēng)為多路正交堿基編輯器(MOBEs)，可以一次安裝多個(gè)點(diǎn)突變。他們的研究由化學(xué)和生物化學(xué)助理教授Alexis Komor的實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)，發(fā)表在《自然生物技術(shù)》雜志上。
圖1 多路正交堿基編輯器（MOBE）系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)
Komor的團(tuán)隊(duì)對(duì)比較DNA中單個(gè)字母變化的基因組特別感興趣。這些字母——C(胞嘧啶)，T(胸腺嘧啶)，G(鳥(niǎo)嘌呤)，A(腺苷)——被稱(chēng)為堿基。一個(gè)人的堿基是C，另一個(gè)人的可能是T。這些是單核苷酸變異(snv)或單點(diǎn)突變，一個(gè)人可能有4-5百萬(wàn)個(gè)變異。有些變種是無(wú)害的;有些是有害的;通常是多種變異的組合導(dǎo)致疾病。
在疾病建模中使用基因組的一個(gè)問(wèn)題是可能的變異數(shù)量之多。如果科學(xué)家們?cè)噲D確定哪些基因突變導(dǎo)致了心臟病，他們可以解碼一群患有心臟病的人的基因組，但任何兩個(gè)人之間的變異數(shù)量使得很難確定哪種變異組合導(dǎo)致了疾病。
“解釋基因變異是一個(gè)問(wèn)題。事實(shí)上，大多數(shù)被發(fā)現(xiàn)的變異在臨床上都沒(méi)有分類(lèi)，所以我們甚至不知道它們是致病的還是良性的，我們的目標(biāo)是通過(guò)在受控的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中安裝多種變體來(lái)制造一種可用于疾病建模的工具，從而可以進(jìn)一步研究它們。”文章一作Quinn T. Cowan說(shuō)。
基因編輯的進(jìn)化
為了理解mobe被創(chuàng)造出來(lái)的原因，我們必須了解傳統(tǒng)基因編輯工具CRISPR-Cas9的局限性。CRISPR-Cas9使用一種向?qū)NA，它的作用就像GPS信號(hào)一樣，直接到達(dá)你想要編輯的基因組位置。Cas9是一種DNA結(jié)合酶，它可以切斷DNA的兩條鏈，使其完全斷裂。
雖然相對(duì)簡(jiǎn)單，但雙鏈斷裂對(duì)細(xì)胞是有毒的。這種類(lèi)型的基因編輯也可能導(dǎo)致缺失——隨機(jī)插入和刪除——細(xì)胞無(wú)法完美地修復(fù)自身。在CRISPR-Cas9中編輯多個(gè)基因會(huì)增加風(fēng)險(xiǎn)。
Komor的實(shí)驗(yàn)室使用她開(kāi)發(fā)的堿基編輯技術(shù)來(lái)代替CRISPR，這種技術(shù)可以對(duì)DNA進(jìn)行化學(xué)改變，盡管一次只能進(jìn)行一種類(lèi)型的編輯(例如，從C到T或從a到G)。因此，堿基編輯不是一次剪掉整個(gè)部分，而是一次擦除和替換一個(gè)字母。它速度較慢，但效率更高，對(duì)細(xì)胞的危害也更小。
圖2 當(dāng)靶向不同染色體上的兩個(gè)原間隔體時(shí)，MOBEs和親本BEs的靶上和串?dāng)_編輯效率
同時(shí)應(yīng)用兩個(gè)或更多堿基編輯器(將基因組中一個(gè)位置的C變?yōu)門(mén)，將另一個(gè)位置的a變?yōu)镚)，可以更好地建模多基因疾病-由于多個(gè)遺傳變異而發(fā)生的疾病。然而，沒(méi)有一種技術(shù)可以在沒(méi)有引導(dǎo)RNA“串?dāng)_”的情況下有效地做到這一點(diǎn)，當(dāng)堿基編輯器做出不必要的改變時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。
Cowan的mobe使用一種被稱(chēng)為適體的RNA結(jié)構(gòu)——與特定蛋白質(zhì)結(jié)合的小RNA環(huán)——將堿基修飾酶招募到特定的基因組位置，從而高效地同時(shí)編輯多個(gè)位點(diǎn)，并降低串?dāng)_的發(fā)生率。
該系統(tǒng)新穎，是首次利用適體以正交模式招募腺苷堿基編輯器(ABEs)與胞嘧啶堿基編輯器(CBEs)合成mobe。
區(qū)別是明顯的:當(dāng)CBE和ABE一起給出而不使用MOBE時(shí)，串?dāng)_發(fā)生率高達(dá)30%。使用MOBE時(shí)，串?dāng)_小于5%，同時(shí)實(shí)現(xiàn)30%的轉(zhuǎn)換效率所需的基極變化。
該研究是測(cè)試MOBE系統(tǒng)可行性的原理驗(yàn)證，已獲得臨時(shí)專(zhuān)利。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這些理論，研究小組進(jìn)行了幾個(gè)真實(shí)疾病的案例研究，包括一種罕見(jiàn)的激素紊亂——卡爾曼綜合征。他們的實(shí)驗(yàn)表明，MOBE系統(tǒng)可以有效地編輯某些多基因疾病的相關(guān)細(xì)胞系。
“我們正在把質(zhì)粒放到AddGene上，這樣任何人都可以自由訪問(wèn)它們。我們希望其他研究人員將使用mobe來(lái)模擬遺傳疾病，了解它們是如何表現(xiàn)的，然后有希望創(chuàng)造有效的治療方法。”
參考資料
[1] Development of multiplexed orthogonal base editor (MOBE) systems
摘要：研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的高效基因組編輯工具，稱(chēng)為多路正交堿基編輯器(MOBEs)
人類(lèi)基因組由大約30億個(gè)堿基對(duì)組成，人類(lèi)的基因組成有99.6%是相同的。這微不足道的0.4%解釋了人與人之間的差異。這些堿基對(duì)的特定突變組合為復(fù)雜健康問(wèn)題的病因提供了重要線(xiàn)索，包括心臟病和精神分裂癥等神經(jīng)退行性疾病。
目前在活細(xì)胞中建模或校正突變的方法效率很低，特別是在多路復(fù)用時(shí)——在基因組中同時(shí)安裝多個(gè)點(diǎn)突變。加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的高效基因組編輯工具，稱(chēng)為多路正交堿基編輯器(MOBEs)，可以一次安裝多個(gè)點(diǎn)突變。他們的研究由化學(xué)和生物化學(xué)助理教授Alexis Komor的實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)，發(fā)表在《自然生物技術(shù)》雜志上。
圖1 多路正交堿基編輯器（MOBE）系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)
Komor的團(tuán)隊(duì)對(duì)比較DNA中單個(gè)字母變化的基因組特別感興趣。這些字母——C(胞嘧啶)，T(胸腺嘧啶)，G(鳥(niǎo)嘌呤)，A(腺苷)——被稱(chēng)為堿基。一個(gè)人的堿基是C，另一個(gè)人的可能是T。這些是單核苷酸變異(snv)或單點(diǎn)突變，一個(gè)人可能有4-5百萬(wàn)個(gè)變異。有些變種是無(wú)害的;有些是有害的;通常是多種變異的組合導(dǎo)致疾病。
在疾病建模中使用基因組的一個(gè)問(wèn)題是可能的變異數(shù)量之多。如果科學(xué)家們?cè)噲D確定哪些基因突變導(dǎo)致了心臟病，他們可以解碼一群患有心臟病的人的基因組，但任何兩個(gè)人之間的變異數(shù)量使得很難確定哪種變異組合導(dǎo)致了疾病。
“解釋基因變異是一個(gè)問(wèn)題。事實(shí)上，大多數(shù)被發(fā)現(xiàn)的變異在臨床上都沒(méi)有分類(lèi)，所以我們甚至不知道它們是致病的還是良性的，我們的目標(biāo)是通過(guò)在受控的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中安裝多種變體來(lái)制造一種可用于疾病建模的工具，從而可以進(jìn)一步研究它們。”文章一作Quinn T. Cowan說(shuō)。
基因編輯的進(jìn)化
為了理解mobe被創(chuàng)造出來(lái)的原因，我們必須了解傳統(tǒng)基因編輯工具CRISPR-Cas9的局限性。CRISPR-Cas9使用一種向?qū)NA，它的作用就像GPS信號(hào)一樣，直接到達(dá)你想要編輯的基因組位置。Cas9是一種DNA結(jié)合酶，它可以切斷DNA的兩條鏈，使其完全斷裂。
雖然相對(duì)簡(jiǎn)單，但雙鏈斷裂對(duì)細(xì)胞是有毒的。這種類(lèi)型的基因編輯也可能導(dǎo)致缺失——隨機(jī)插入和刪除——細(xì)胞無(wú)法完美地修復(fù)自身。在CRISPR-Cas9中編輯多個(gè)基因會(huì)增加風(fēng)險(xiǎn)。
Komor的實(shí)驗(yàn)室使用她開(kāi)發(fā)的堿基編輯技術(shù)來(lái)代替CRISPR，這種技術(shù)可以對(duì)DNA進(jìn)行化學(xué)改變，盡管一次只能進(jìn)行一種類(lèi)型的編輯(例如，從C到T或從a到G)。因此，堿基編輯不是一次剪掉整個(gè)部分，而是一次擦除和替換一個(gè)字母。它速度較慢，但效率更高，對(duì)細(xì)胞的危害也更小。
圖2 當(dāng)靶向不同染色體上的兩個(gè)原間隔體時(shí)，MOBEs和親本BEs的靶上和串?dāng)_編輯效率
同時(shí)應(yīng)用兩個(gè)或更多堿基編輯器(將基因組中一個(gè)位置的C變?yōu)門(mén)，將另一個(gè)位置的a變?yōu)镚)，可以更好地建模多基因疾病-由于多個(gè)遺傳變異而發(fā)生的疾病。然而，沒(méi)有一種技術(shù)可以在沒(méi)有引導(dǎo)RNA“串?dāng)_”的情況下有效地做到這一點(diǎn)，當(dāng)堿基編輯器做出不必要的改變時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。
Cowan的mobe使用一種被稱(chēng)為適體的RNA結(jié)構(gòu)——與特定蛋白質(zhì)結(jié)合的小RNA環(huán)——將堿基修飾酶招募到特定的基因組位置，從而高效地同時(shí)編輯多個(gè)位點(diǎn)，并降低串?dāng)_的發(fā)生率。
該系統(tǒng)新穎，是首次利用適體以正交模式招募腺苷堿基編輯器(ABEs)與胞嘧啶堿基編輯器(CBEs)合成mobe。
區(qū)別是明顯的:當(dāng)CBE和ABE一起給出而不使用MOBE時(shí)，串?dāng)_發(fā)生率高達(dá)30%。使用MOBE時(shí)，串?dāng)_小于5%，同時(shí)實(shí)現(xiàn)30%的轉(zhuǎn)換效率所需的基極變化。
該研究是測(cè)試MOBE系統(tǒng)可行性的原理驗(yàn)證，已獲得臨時(shí)專(zhuān)利。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這些理論，研究小組進(jìn)行了幾個(gè)真實(shí)疾病的案例研究，包括一種罕見(jiàn)的激素紊亂——卡爾曼綜合征。他們的實(shí)驗(yàn)表明，MOBE系統(tǒng)可以有效地編輯某些多基因疾病的相關(guān)細(xì)胞系。
“我們正在把質(zhì)粒放到AddGene上，這樣任何人都可以自由訪問(wèn)它們。我們希望其他研究人員將使用mobe來(lái)模擬遺傳疾病，了解它們是如何表現(xiàn)的，然后有希望創(chuàng)造有效的治療方法。”
參考資料
[1] Development of multiplexed orthogonal base editor (MOBE) systems
